Princípy 1. Odporové Princípy Richard Balogh 1 Odporové 2 Kapacitné 3 Magnetické Senzorové systémy v CIM, LS 2013 4 Optické 5 Akustické 6... 7 Hallov (d.ú. str. 103) 8 Siebeckov (d.ú. str. 106) 9 Peltierov (d.ú. str. 111) Jacob Fraden: Handbook of Modern Sensors. 4th ed., Springer, 2010. Závislost od: 1. teplota R=ρ l A R=R 0 (1+α t) kovy: PTCα polovodiče a oxidy: NTCα 2. piezorezistívny jav 3. vlhkost Richard Balogh Princípy 1/36 2/36 2. Kapacitné 3. Magnetické 3. Magnetické História: C=ε 0 ε r A d Závislost od: 1. teplota 2. tlak 3. vlhkost 4. zmena materiálu magnetit Fe 3 O 4 (Čína, 3000 p.n.l.) Zem magnet (William Gilbert, 1600) súvis s elektrinou (H. CH. Oersted, 1820) elektromagnetická indukcia, pole (M. Faraday, 1831, 1845) teória elmg. pol a (J.C. Maxwell, 1873) vysvetlenie magnetu (A. Einstein) Magnetické pole okolo a) permanentných magnetov aj b) vodičov el. prúdu. 3/36 4/36 5/36 Magnetické veličiny List of orders of magnitude for magnetic fields. Vlastnosti materiálov jednotky: indukcia B [T] (1 T = 10 000 G [gauss]) intenzita H [A/m] (1 A/m = 4π.10 3 Oe [oersted]) permeabilita µ [H/m] (µ=µ 0.µ r ) (µ 0 = 4π.10 7 [H/m]) B=µH=µ 0 µ r H Faktor Hodnota Item 10 12 0,1 1,0 pt magnetické pole mozgu 10 6 24µT magnetofónová páska blízko záznamovej hlavy 10 5 31µT Zemské magnetické pole na rovníku (lat 0 ) 58µT Zemského magnetické pole na 50 rovnobežke (lat 50 lat) 10 3 5 mt bežný chladničkový magnet 10 0 1-2,4 T vo vzduchovej medzere typického reproduktora 1,25 T moderný Nd2Fe14B magnet 1,5 3 T lekárske NMR vyšetrenie (exp. až do 8 T) 10 16 T levitujúca žaba 36,2 T max. trvalé mag. pole bez supravodičov 45 T max. trvalé mag. pole laboratórne (USA) 10 3 2,8 kt max. impulzné mag. pole laboratórne (Rusko) 10 6 1 100 MT pole neutrónovej hviezdy 10 9 0,1 100 GT pole magnetaru sú dané štruktúrou stavby atómu (počet elektrónov, spin, jeho kompenzácie...) a podl a permeabilityµ r delíme na: diamagnetické µ r 1 (0,9999) (Cu, Ag, Be, Zn, Hg, Ge, Pb, Bi, Se ) paramagnetické µ r 1 (1,000111) (Na, K, Mg, Ca, Al, Sn, Mn, Pt, O2...) feromagnetické µ r >> 1 (50000) (Fe, Co, Ni, aj zliatiny) Aj tzv. Heuslerove zliatiny - z paramagnetických prvkov Mn-Al-Cu, resp. Mn-Sn-Cu majú feromagnetické vlastnosti (15%Mn, 10%Al, 75%Cu má B max ako Ni) 6/36 7/36 8/36
Feromagnetiká magnetické domény Curieho teplota Magnetické domény T c látka stráca feromagnetické vlastnosti Látka Curieho teplota [ C] Železo (Fe) 770 Kobalt (Co) 1130 Nikel (Ni) 358 Gadolinium (Gd) 19 Oxid železitý (Fe 2 O 3 ) 622 Obr. : Mikrofotografia NdFeB s viditel nými doménami. 9/36 Hysterézna krivka 10/36 Feromagnetiká 11/36 Magneticky mäkké materiály zadaná tabul kou, alebo graficky získa sa meraním na hotových materiáloch úzka hysterézna krivka nízka hodnota Hc (2 až 10 A/m) 1 krivka prvotnej magnetizácie B magnetická indukcia B=µ.H H intenzita magnetického pol a B r remanentná indukcia H c koercitívna sila B max max. dosiahnutel ná indukcia tgβ µ=tgβ= B H diferenciálna permeabilita (v pracovnom bode) µ 0 permeabilita vákua 4π.10 7 H/m pričomµ=µ 0.µ r magneticky mäkké materiály magneticky tvrdé materiály a.) izotropný (trafoplech) b.) anizotropný orientácia so smerom B c.) anizotropný orientácia na smer B Poznámka: Anizotropia vzniká i pri mechanickom namáhaní. Pri t ahu rastie rel. permeabilitaµ r, teda i mag. vodivost orientované materiály 12/36 Straty v materiáli Hysterézne straty - závisia od H c, hodnoty B a od f Vírivé straty - závisia odρ(merný odpor) a od f 2 13/36 Magneticky mäkké materiály: Hysterézna slučka 14/36 Hysteresis loop of 400nm Mumetal film µ i - počiatočná (absolútna) permeabilita, dotyčnica v bode 0 [A/m] µ m ax - maximálna permeabilita, dotyčnica v inflexnom bode krivky prvotnej magnetizácie Obr. : Hysteresis loops of 400 nm Mumetal film. Magnetic field is applied at different angles with respect to the easy axis (freq. = 101 Hz). 15/36 16/36 17/36
Magneticky mäkké materiály: kovové Elektromagnet Magneticky mäkké materiály: ferity Plechy s rôznou hrúbkou: strihané vinuté - toroid, C jadro (orientované plechy) leptané - vel mi tenké (cca 3µm) Dôležité hodnoty: B max, B r, H c,µ. B max pre rôzne materiály: kremíková ocel do 1,8 T zliatiny do 2 T vinuté Poznámka: zliatina Fe-Co: B max = 2,43 T pri H = 100 A/m. Vzduchová medzera v obvode: parazitná (má byt čo najmenšia) žiadaná, kedy: - linearizuje krivku (zmenšíµ r ) - stabilizuje parametre - zabraňuje presýteniu (tlmivky) lisované spekané materiály malá elektrická vodivost ( = 10 105 Ωm) malé vírivé straty menšia B max, okolo 0,3 až 0,4 T mechanicky ako keramika, tvrdé a krehké obrábanie - brúsenie, ultrazvuk 18/36 Magneticky mäkké materiály: ferity 19/36 Magneticky tvrdé materiály 20/36 Zaujímavosti permanentné magnety vysoké H c, typ. 20 800 ka/m a) kovové AlNiCo (+Fe) b) ferity Ba, Sr, krehké c) vzácne zeminy Nd, Sm-Co Nd 2 Fe 14 B, (N48: B r = 1,38 T / H c = -1000 ka/m / T c = 80 C) Plastický magnet vyrobený z organického polyméru PANiCNQ polyanilín (PANi) a tetracyanochinodimetán (TCNQ). Využitie v medicíne. Kravský magnet kovový AlNiCo magnet v plaste, zber kúskov kovu v bachore. 21/36 22/36 Fyzikálne veličiny 23/36 Zn. jednotky veličina I [A] Ampér elektrický prúd B [T] Tesla magnetická indukcia H [A/m] intenzita magnetického pol a µ o [H/m] 4π10 7 permeabilita vákua σ r [-] koeficient rozptylu σ p [-] koeficient úbytku na magneticky mäkkých častiach Ampérov zákon: H dl= ( B M) dl=i tot I b = I f µ 0 Magnetický tok (def.): Φ B = B ds=b S=BS cosθ, S 24/36 25/36 26/36
Pre konkrétny obvod môžeme zjednodušit : I= H m l m + H v δ+h z l z =±NI Φ=B m S m = B v S v σ r B v =µ 0 H v Koeficient rozptylu vo vzduchovej medzere (1,2 3) σ r = R v+ R r R r > 1 Koeficient úbytku na magneticky mäkkých častiach σ p = H vδ+h z l z H v δ > 1 pre reálnu vzduchovú medzeru zanedbávame, hodnota 1. Využijeme na úpravu Ampérovho zákona I= H m l m + H v δ+h z l z =±NI I= H m l m +σ p H v δ=±ni I= H m l m +σ p H v δ=±ni Upravíme rovnice pre magnetický tok po dosadení a po úprave dosadíme do Ampérovho zákona Φ=B m S m = B v S v σ r B v =µ 0 H v B m S m =µ 0 H v S v σ r H v = B ms m H m l m + B ms m σ p δ=±ni 27/36 pokračujeme v úpravách 28/36 29/36 H m l m + B ms m δσ p =±NI H m l m + B m S m δσ p =±NI δb m S m σ p = H m l m ± NI l m S v σ r 1 S v σ r B m = µ 0 H m ±µ 0 NI δ S m σ p δ S m σ p Rovnica pracovnej priamky B m = kh m ± q l m S v σ r B m = µ o H m ± S v 1σ r µ o NI δ S m σ p S m δσ p 30/36 31/36 Demagnetizácia 32/36 Zmagnetovanie PM 33/36 34/36 35/36
Stabilizácia parametrov Starnutie (ageing) prirodzené umelé - teplotou - odmagnetovaním (cca 10%) 36/36